La trempe étagée repose sur un refroidissement par paliers. Elle comporte une première phase de chauffage traditionnelle, pour atteindre une température donnée, mais nécessite de contrôler le refroidissement pour le diviser en plusieurs étapes. Ce procédé offre différents avantages, parmi lesquels la réduction du risque de casse ou de déformations, comparé à une trempe avec refroidissement direct.
Deux modes de refroidissement possibles pour une opération de trempe
La trempe fait partie des plus anciens procédés de traitement thermique des aciers. Cette méthode consiste à chauffer l’acier à une température précise, généralement comprise entre 900 et 1 000 degrés Celsius, avant de le refroidir rapidement. Dans le cas des aciers, la température de chauffe est appelée température d’austénitisation et gravite entre 800 et 900 degrés Celsius, voire 1200°C pour les aciers rapides. A cette valeur, la structure cristallographique du métal se transforme en austénite.
Ainsi, une opération de trempe implique, suite au chauffage du métal, une phase de refroidissement, qui peut se dérouler de deux manières : continue ou bien étagée. Dans le premier cas, la pièce est chauffée à la température prévue et refroidie d’un seul coup. Dans le cadre d’un refroidissement continu, le métal descend à température ambiante en quelques minutes voire quelques secondes. A l’inverse, un refroidissement étagé consiste à insérer un palier dans ce processus. Au lieu de passer directement de la température d’austénitisation à la température ambiante, on ajoute, par exemple, une étape plus longue à 400 degrés Celsius (selon la composition chimique de l’acier). Cette méthode ne convient pas à tous les aciers mais présente plusieurs avantages.
Fonctionnement de la trempe étagée
Il existe deux principales technologies permettant de réaliser une trempe étagée : la méthode des bains de sels et celle des fours sous vide. La première reste la plus simple mais également la moins écologique, car elle est composée de sels liquides qu’il faut maîtriser pour l’environnement. La trempe sous vide, en revanche, se révèle nettement plus éco-friendly car elle ne repose que sur l’utilisation d’électricité, du vide et d’un gaz neutre (azote ou argon) en garantissant d’obtenir des pièces finales entièrement propres et avec peu de déformations.
Pourquoi choisir la trempe étagée ?
La trempe étagée, parfois appelée trempe par palier isotherme, implique donc de contrôler les étapes de refroidissement de l’acier. Cette méthode s’emploie essentiellement pour deux raisons : premièrement, le fait de refroidir par paliers réduit le gradient de température entre la surface et le cœur de la pièce. En effet, la différence de température entre ces deux zones peut se révéler plus ou moins importante selon la massivité de la pièce ou bien la durée du traitement, par exemple. Dans certains cas, ce gradient peut atteindre 500 degrés Celsius, un refroidissement étagé participe alors à uniformiser et réduire cette valeur sur l’ensemble de la pièce conduisant à des déformations moindres.
Le deuxième atout de la trempe étagée s’observe sur la pièce finie. Un refroidissement continu mal géré peut, s’il s’avère trop rapide, provoquer des déformations ou des fissures sur des géométries comportant beaucoup d’angles vifs. On parle également de « tapures de trempe ». Un refroidissement par palier diminue donc grandement le risque de casse et de déformations.
Formation de bainite : l’autre avantage de la trempe étagée
La trempe étagée, avec un refroidissement par paliers, constitue également un bon moyen d’obtenir de la bainite. Une opération de trempe , selon le processus décrit plus haut, peut faire l’objet de quelques modifications dès lors que l’on agit sur certains paramètres. Par exemple, il est possible de réaliser une trempe martensitique, qui consiste à favoriser la transformation de l’austénite en martensite. Ce constituant affiche une excellente dureté mais se montre plus fragile que la bainite, qui peut aussi être produite par une opération de trempe dite bainitique. En effet, une trempe étagée offre la possibilité de fabriquer de la bainite, moins fragile que la martensite, même si elle demeure moins dure que cette dernière.
La trempe étagée s’emploie particulièrement dans le secteur de l’outillage. Dans la mesure où elle garantit des pièces extrêmement résistantes, sans risque de casse et des déformations maitrisées, elle représente une méthode idéale pour des outils efficaces sur le long terme, permettant de limiter la reprise d’usinage après traitement thermique
La trempe étagée tire son nom de son mode de refroidissement : suite à l’opération de chauffe, le métal fait l’objet d’un refroidissement avec un palier isotherme, par opposition à la méthode continue. Elle peut se dérouler sous vide ou suivant la technique des bains de sels. Le refroidissement par palier réduit le gradient de température entre la surface et le cœur de la pièce et limite le risque de déformations, de casse et de tapures de trempe. Cette méthode offre également la possibilité de modifier la structure de l’acier pour obtenir, selon les propriétés recherchées, de la martensite ou de la bainite, par exemple.
